Московскийгосударственный институт электроники и математики
(техническийуниверситет)
Курсовая работа
для представления на кафедру«Материаловедение»
на тему:
Магнитометрына СКВИДах.
Выполнил: Подчуфаров А.И.
Преподаватель:Петров В.С.
Зачтено:04.06.96
ФИТ ЭП-41
Москва 1996 г.
Содержание:
1. Сверхпроводимость. Основныепараметры сверхпроводников.....3
2. ЭффектДжозефсона.........................................................................4
3. Магнитометр....................................................................................5
4. Сверхпроводящий материал — соединение Nb3Sn...........................8
5. Получение джозефсоновскихпереходов.........................................9
6. Списоклитературы..........................................................................13
1.Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.
Явление сверхпроводимости состоит втом, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю,электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температураназывается критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость обнаружена более чему 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк£23К), атакже у керамик (Тк >77,4К – высокотемпературныесверхпроводники.)
Сверхпроводимость материалов с Тк£23Кобъясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположнымиспинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействиюэлектронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точкизрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистикеФерми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всемфизическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.
Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняетсявзаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.
По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводникиделятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.
Сверхпроводники первого рода при помещении их вмагнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводникаравна нулю (эффект Мейсснера). Напряжонность магнитного поля, при которомразрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называетсякритическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго родасуществует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 >Н >Нк1,где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическоеполе. Н Нк2 –сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго родаможно пропускать ток силой: (критический ток).Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Нк1,вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрьобразца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.
Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:
Вещество
Тк К
m0Нк1 Тл
m0Нк2 Тл
Pb
7.2
0.55
Nb
9.2
0.13
0.27
Te
7.8
V
5.3
Ta
4.4
Sn
3.7
V3Si
17.1
23.4
Nb3Sn
18.2
24.5
Nb3Al
18.9
Nb3Ga
20.3
34.0
Nb3Ge
23.0
37.0
(Y0.6Ba0.4)2CuO4
96
160±20
Y1.2Ba0.3CuO4-8
102
18 при 77К
2. Эффект Джозефсона.
Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым»контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдеттуннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящихкуперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны междусобой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар дажечерез очень тонкий слой изолятора.
Наличие связи приводит к тому, что в следствиипроцесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этоминтенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функциймежду системами. Если разность фаз j=j1 — j2, тогда из квантовоймеханики следует . Энергии в точках поодну и другую сторону барьера Е1 и Е2 могут отличатьсятолько если между этими точками существует разность потенциалов Us. В этом случае (1).
Если сверхпроводники связаны между собой с однойстороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можновызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом и поток Ф через контурможет быть лишь nФ0, где n=0,±1,±2,±3,… Джозефсон предсказал, что (2)
Где:
Is– ток черезконтакт
Ic–максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт
j — разность фаз.
Из (1), (2) следует .
Посколькуна фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, тосверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинствеслучаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из несколькихконтактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовыйинтерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого дляуправления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. ПоэтомуСКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.
Известны несколько типов джозефсоновских контактов,но наиболее распространены следующие:
изолятор
»1нм сверхпроводники
туннельный переход переход типа «мостик»
3. Магнитометр.
Магнитометр — прибор наоснове джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля иградиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов:напостоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.
I
A B U
переходы
джозефсоновские
Если к такому кольцу приложить поле, то оно будетнаводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться изпостоянного тока Iв А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитногопотока Ф и равен: Ic– ток кольца, Ф0–квант потока, Ф – захваченный поток. При этом R– сопротивление перехода, l–индуктивность кольца. DU–достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электроннымиприборами.
I Imax
nФ0
(n+1/2)Ф0
U n
Рисунок слева: ВАХ сверхпроводящего кольцас 2-мя джозевсоновскими переходами.
Рисунок справа:Зависимость Imaxот внешнего потока
n – число квантов потокапронизывающих контур.
Техническая реализация магнитометров на СКВИДе напостоянном токе с 2-мя тунельными переходами.
Кварцевая трубка
Полоска из Pb
Платиновый электрод
Pb
Джозефсоновские
переходы
Платиновый электрод
КонтурСКВИДа
образован цилиндрической
пленкой изPb нанесеннойна кварцевый цилиндр
длинной 18 мм с наружнымдиаметром 8мм, а
внутренним 6мм.
Описанная здесь конструкция яв-
2 мм ляется датчикомвключенным в электри-
ческуюсхему, обеспечивающую изме-
рение ииндикацию отклика датчика
1.5мм на изменение внешнегомагнитного
поля. Такая система представляет со-
600нм 600нм бой магнитометр.
20 нм
4. Сверхпроводящий материал –соединение Nb3Sn.
Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2К иНк2=18.5 МА/m(m0Нк=23Тл) при4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходычувствительные как к малым полям 10-17Тл,так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такуюрешетку:атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своимиближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:
Nb
Sn
Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительнымиковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получениясверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти приизбытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллическойрешетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:
toC
2500
a+ж 2000
2000
a Ж
1500 Nb3Sn3
a+Nb3Sn 910-920
1000
Nb3Sn 840-860
500 805-820 NbSn7 232-234
Nb 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn
Соединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическимпутем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этогосоединения:цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическимметодом, т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова,прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образованияхимического соединения Nb3Sn, обычно в интервале 960-1200O.
5. Получение джозефсоновскихпереходов.
Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящиепленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотримнекоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. Натщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящегосоединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.
Нанесение первой пленки осуществляется путемкатодного распыления.
4
1
6
2 3 5
1. Катод
2. Распыляющий газ
3. К вакуумному насосу
4. Держатель с подложкой
5. Постоянное напряжение 4 кВ
6. ВЧ – генератор 3-300 МГц
Газовый разряд при низком давлении можно возбудитьвысокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащимаргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы,разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав. Вылетающие скатода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скоростиосаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В.
Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуум перед распылением 10-4Па, температураподложки 900OС, чистота напускаемого аргона 99,999%, егодавление менее 1Па.
Для качества туннельного перехода большое значение имеетструктура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическаярешетка, и в них, как правило со временем происходят структурные изменения:течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшитьсвойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки).
Одним из способов устранения этих нежелательныхявлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Такпленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм),Au (9нм), Nb3Sn(350нм) для нижнегоэлектрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм)для верхнего электрода. После этого пленкивыдерживались при температуре 75ОС в течении 2ч., что приводило кстабилизации свойств перехода.
Следующим важным этапом получения туннельногоперехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла наповерхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его срок службыопределяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен бытьплотным, тонким (»2нм), ровным, не иметь пор ине меняться со временем при температурном циклировании.
Наиболее удачный метод приготовления туннельныхбарьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода.Подложка с пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначалаповерхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распыленияв атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этогоаргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигаетсяразряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся вразряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельныхбарьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1Вт/мм2 в течении 10-20 мин.
Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника.В качестве материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge,InSb, CuAs идр.
Основной метод нанесения п/п барьера – распыление.Однако в напыленном слое п/п имеетсямного отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе.Для устранения этого недостатка после напыления барьера переход подвергаетсяокислению. В результате закоротки действительно не возникают, но свойствабарьера при это ухудшаются:уменьшается максимальнаяплотность тока, величина емкости увеличивается.
Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковымбарьером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такиепереходы реализованы не созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот,нанесением пленки на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si.Известно, что скорость травления монокристаллического Siперпендикулярно плоскости(100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В результате этого впластине Si, поверхность которого параллельна (100), притравлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки.Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7О к поверхности.Таким образом, размер дна ямки w1, т.е. размер мембраныопределяется соотношением w2– размер открытого незащищенногоучастка поверхности, t– глубина ямки.
Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либообразом автоматически остановить травление. Это достигается с помощьюлегирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равнуюнеобходимой толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когдадостигается слой Si с концентрацией бора, равной n=4×1019см-3, и полностью останавливается при n=7×1019см-3. Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход.
В случае последовательного напыления: сверхпроводящаяпленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанестиметодом катодного распыления.
Готовые переходы защищают отвлияния атмосферы слоем фоторезиста. Для получения воспроизводимых туннельныхсистем необходимо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздействиюатмосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызватьнеконтролируемое изменение характеристик перехода.
Списоклитературы:
1. Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящиематериалы» М. МИЭМ 1990
2. А.Ф. Волков, Н.В. Заварицкий«Электронные устройства на основе слабосвязных сверхпроводников» М. Советскоерадио 1982
3. Р. Берри, П. Холл, М. Гаррис«Тонкопленочная технология» М. Энергия 1979
4. Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Физическиеосновы сверхпроводниковых устройств и цепей» М. Радио и связь 1984